钻柱涡动及其应用

从动力学角度建立了钻柱涡动方程，然后对钻柱涡动的特性进行了简单分析。结果表明，钻柱在斜井中涡动时，重力沿井眼的侧向分量引起钻柱内部较大的轴向力变化，从而产生防斜及降斜作用。利用涡动防斜的实例证实了这一点。     

空气钻井斜直井眼中钻柱的动力学特性及失效机理

钻柱涡动是钻柱失效的主要原因之一。应用有限元方法，仿真了空气钻井时斜直井眼中带牙轮钻头钻柱的动力学特性，比较了空气钻井和钻井液钻井条件下钻柱的涡动、变形以及动态应力状况，探讨了空气钻井钻柱失效的动力学机理。结果表明，钻柱在不同时刻的动态应力与静力学条件下计算的结果有宏观上的一致性，空气钻井时钻柱的应力波动较钻井液钻井的要大，钻柱涡动更加频繁。     

内外钻井液作用下的旋转钻柱涡动分析

在理论上研究了内、外钻井液流体作用下的钻柱涡动问题．分析了钻柱内钻井液随钻柱旋转时的流体动压力和钻柱弯曲变形等所产生的扰动压力之和对钻柱运动的影响，推出了在这种情况下保持钻柱规则涡动的动力学条件；进一步分析了钻柱外环空钻井液流体对旋转钻柱所产生的反作用自激现象，通过对其数学模型的建立和求解，得到了钻柱涡动失稳的临界条件．较详细地探讨和论述了内、外钻井液作用下钻柱涡动过程的力学机理和运行规律     

空气钻井斜直井眼中钻柱的动力学特性及失效机理

钻柱涡动是钻柱失效的主要原因之一.应用有限元方法,仿真了空气钻井时斜直井眼中带牙轮钻头钻柱的动力学特性,比较了空气钻井和钻井液钻井条件下钻柱的涡动、变形以及动态应力状况,探讨了空气钻井钻柱失效的动力学机理.结果表明,钻柱在不同时刻的动态应力与静力学条件下计算的结果有宏观上的一致性,空气钻井时钻柱的应力波动较钻井液钻井的要大,钻柱涡动更加频繁.     

下部钻柱涡动机理及规律的实验研究

应用下部钻柱运动状态模拟实验装置,验证分析了下部钻柱涡动机理及规律.研究表明:(1)下部钻柱正向涡动源于钻柱重量、质量偏心等因素,反向涡动源于钻柱与井壁之间的碰摩作用.(2)下部钻柱与井壁之间是否发生碰摩,通常以下部钻柱的1阶临界转速为界.(3)下部钻柱反向涡动频率与自转频率之比等于钻柱半径与井眼间隙之比.     

钻柱力学若干基本问题的研究

依据动力学普遍原理，采用微元矢量分析方法，建立了钻柱的一般平衡方程，其中包含了钻柱的涡动效应．在此基础上，导出了不可伸长弹性钻柱变形的一般动态控制方程，并且对钻柱下部组合（简称ＢＨＡ）的静力分析方法及钻往摩阻分析方法进行了讨论．此外，还就钻柱运动学及其弹住稳定性问题进行了初步探讨，给出以钻柱为研究对象的基本方程．这些基本方程也适用于其它相同性质问题的管柱．     

斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的侧向屈曲临界荷载．在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式．对于给定截面尺寸的钻柱，临界荷载是钻柱长度的函数，且随井斜角的变化而变化．在确定实际钻柱的临界荷载时，要充分考虑井眼的具体情况．讨论了发生高阶屈曲的条件，所得结果可供工程计算参考．     

底部钻具规则涡动轨迹的内摆线描述方法

为了认识和控制钻井过程中的钻柱涡动,基于几何学原理提出内摆线描述方法.该方法将涡动视为规则运动,从分析钻柱外缘固定点的运动特性入手,求解底部钻具(BHA)与井壁的摩擦接触的运动轨迹方程,确定轨迹上各点的速度,分析钻柱自转和公转速度对底部钻具运动轨迹的影响.结果表明:底部钻具的涡动可能造成钻柱以远高于其自转速度的角速度沿...     

钻柱力学若干基本问题的研究

依据动力学普遍原理，采用微元矢量分析方法，建立了钻柱的一般平衡方程，其中包含了钻柱的涡动效应，在此基础上，导出了不可伸长弹性钻术变形的一般动态控制方程，并且对钻柱下部组合的静力分析方法及钻柱摩阻分析方法进行了讨论，此外，还就钻柱运动学及其弹性稳定性问题进行了初步探讨，给出以钻柱为研究对象的基本方程，这些基本方程也适用于其它相同性质问题的管柱。     

斜直井眼中铅垂平面内钻柱屈曲荷载分析

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的屈曲临界载荷．在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中临界载荷的一般公式，并讨论了两种形式的变形能增量计算方法的差别，所得结果可供工程计算使用．     

钻柱黏滑振动动力学研究

以四自由度钻柱动力学方程为基础,结合钻头–岩石的相互作用规律,分析了钻柱在直井眼内的动力学特征,
研发了多自由度钻柱粘滑振动仿真软件。利用该软件开展了钻柱动力学行为影响的单因素分析,得出了管柱、钻头和
转盘的刚度与转动惯量,以及钻压、转速等对钻柱动力学行为的影响规律,获得了钻柱运动的4 种状态特征。通过对
实际钻柱动力学参数的仿真分析,表明钻杆越长,钻铤越短,钻柱越容易处于黏滑振动状态。另外,改变钻柱的内外直
径不可能有效抑制黏滑振动。研究成果对现场钻井作业具有非常实用的指导意义。     

钻柱隔振理论及钻井效率分析

应用有限元法建立了钻柱隔振的力学模型，对钻柱进行了纵向振动的动力响应分析和固有频率计算，比较了常规钻柱和隔振钻柱钻头处的位移、井口处的位移以及钻压的变化．钻柱隔振后，其固有频率远高于常规钻井时的激振频率，因此隔振后的钻柱可以避免发生共振现象，提高钻井效率．钻柱隔振理论可以为隔振器的设计和应用提供可靠的理论基础．     

水平井钻柱的优化设计问题

分析了水平井钻柱受力的复杂性和水平井钻柱代化设计的重要性，根据钻进工艺和钻柱安全对钻柱设计的要求，提出了水平井钻柱设计必须满足的四个约束条件，即：钻头加压，足够的钻柱强度，钻杆不发生屈曲及中性点不落在钻杆上。分析了两种钻进方式的特点，提出了水平井钻柱优化设计的标准，即在四个约束条件下，在旋转钻进时使空重量最小；在滑动钻进时，使摩阻力最小．简述了水平井钻柱优化设计的方法．     

垂直井中旋转钻柱受拉段分岔研究

在以往对钻柱稳定性的研究中 ,人们对受压段钻柱的稳定性问题给予了足够的重视 ,而对受拉段钻柱稳定性的研究则明显不足。钻柱属于细长柔性杆件 ,大部分钻柱在工作时处于受拉状态。在旋转钻井作业中 ,当钻柱较长且转速与拉力存在某种关系时 ,钻柱受拉段也会发生屈曲变形。考虑到垂直井中钻柱受拉段在旋转时的转动效应 ,建立了顶部悬挂、受分布浮重作用的旋转细长钻柱的分岔微分方程。通过对方程的数值求解 ,得到了相应的分岔值曲线。利用该计算模型可以模拟石油钻井工程中旋转细长钻柱受拉段的工作状态 ,所得结果对钻井作业具有一定的指导意义。     

循环条件下钻柱轴向力的计算和强度校核

对循环条件下钻柱的受力进行了分析，详细推导了由钻柱重力、钻井液静压力和流动压力引起的钻柱轴向力计算公式．研究结果表明，有效轴向力与流动压力梯度相关，而与流动压力的大小无关．给出了液流对管壁摩擦力的计算公式，并提出了循环条件下钻柱强度校核的方法．     

大位移井钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振研究

在大位移井条件下 ,钻柱扭转振动相对较大 ,严重时甚至会出现周向粘滑振动。对大位移井钻柱扭转振动模型进行了适当简化 ,给出了钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振问题的解析结果 ,证明了扭矩负反馈减振理论的正确性。提出了通过拉普拉斯变换解非零极点方程判断钻柱扭转振动衰减快慢的新方法 ,初步探讨了实现顶部扭矩负反馈减振须考虑的某些实际问题 ,其结果对今后相关问题的进一步研究有一定的参考价值。     

滚动钻柱摩阻研究

现有计算钻柱摩阻力矩的模型是在假设钻柱自转的条件下建立的，不适宜计算钻柱出现反转时的阻力矩。通过引入滚动摩阻系数，建立了反转条件下摩阻力矩的计算方法，得出了计算公式，并给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。该研究成果有利于直井防斜和提高水平井钻井技术。     

液压震击动力学分析及震击力计算

震击器被广泛用于解决钻井过程中的卡钻事故。准确计算震击器的震击载荷对作业中施工参数的选取、震击器安放位置及钻具组合设计具有重要的意义。传统液压震击器动载荷计算方法中,未考虑阻尼力对震击过程的影响。实际震击作业过程中,由于井筒不规则性及钻柱在井筒中偏心对钻柱造成的摩擦阻力、钻井液对钻柱运动产生的黏滞阻力,使钻柱上提加速过程呈有阻尼振动特性。针对这一问题,建立了钻柱阻尼振动力学模型,进行震击加速过程的整体动力学分析,推导出纵向加速过程的位移及速度方程,计算出震击碰撞前钻柱上行最大速度。采用能量守恒定理及动量守恒定理,推导出作用于钻柱卡点处的震击力计算方法,计算模型更接近震击作业中钻柱的实际受力情况。